肿瘤代谢物抑制DNA修复的发现或能带来癌症治疗新策略
原文作者：Lei-Lei Chen & Yue Xiong
代谢改变和基因组不稳定性是癌症的两个特征。目前发现的一种机制可以解释肿瘤中积累的三种小分子如何通过阻碍DNA修复，将代谢异常与基因组问题联系起来。
19世纪末，光学显微镜检测到的染色体异常显示，一种大规模基因组不稳定性会导致特定癌症出现染色体数目异常。不久之后，生物化学家Otto Warburg观察到，肿瘤细胞倾向于利用与正常细胞不同的葡萄糖和能量代谢途径。我们现在知道，基因组不稳定性和代谢改变是大部分肿瘤细胞的两个共同特征。基因组不稳定性自从被发现以来一直是一个常见研究对象；而代谢改变最近才作为一个研究领域被重新发现。不过，癌症中这两个过程的相互作用（crosstalk）之前没怎么被报道过。Sulkowski等人[1]在《自然》发表论文，揭示了肿瘤细胞内积聚至高水平的多种代谢物会如何抑制DNA修复，从而发现了代谢改变与DNA损伤导致的基因组不稳定性之间的直接联系。
异柠檬酸脱氢酶1和2（IDH1和IDH2）编码基因的突变会导致细胞内积聚高水平的代谢物2-羟基戊二酸（2-HG）。延胡索酸水合酶和琥珀酸脱氢酶编码基因的突变分别会导致细胞内积聚高水平的延胡索酸和琥珀酸分子。这三种小分子常被称为致癌代谢物（oncometabolite），因为它们的积聚会促进肿瘤发展[2,3]。它们在结构上与α-酮戊二酸（α-KG）分子很相似，α-KG是克雷布斯循环（Krebs cycle）途径的中间物，同时也是依赖于α-KG/Fe（II）的双加氧酶家族发挥功能所必需的成分，也称为共底物（co-substrate）。
这个酶家族在人体内有65个成员[4]，负责催化蛋白质、DNA、RNA和脂质中的一系列氧化反应。在这些反应中，α-KG会与酶的活性位点结合，帮助催化。不过，2-HG、琥珀酸和延胡索酸会和α-KG争相与该催化位点结合，抑制这些酶。这类酶中有一种赖氨酸组蛋白去甲基化酶（KDM）能修饰染色质——染色质是组成染色体的DNA和蛋白的复合物[5–7]。
有两个很相关的KDM：KDM4A和KDM4B，在它们的催化下，染色质的DNA结合组蛋白3（H3）上的内赖氨酸氨基酸残基（K9）会去除一个甲基（去甲基化） 。H3K9的甲基化与同源依赖性修复（homology-dependent repair ，HDR）途径相关，该途径可以修复DNA的双链断裂（double-strand break，DSB）[8]。DSB是DNA损伤中最危险的一种，如果不加修复，就会导致染色体断裂和基因组不稳定，这可能会促进肿瘤生长或引起细胞死亡。
Sulkowski和同事研究了体外培养人类癌细胞的HDR。他们发现，在DSB位点上，让H3K9局部添加三个甲基生成三甲基化的H3K9me3残基，对于启动HDR途径具有关键作用。作者报道称，在IDH1、IDH2、延胡索酸水合酶或琥珀酸脱氢酶编码基因发生突变的肿瘤细胞内，存在高水平的致癌代谢物会抑制KDM4B。这种对去甲基化的抑制会导致 H3K9的普遍高度甲基化，掩盖了H3K9me3标记的局部出现，并破坏HDR和DSB修复所需因子的招募（见图1）。
图1|癌细胞内的分子如何抑制DNA损伤的修复。a，DNA包裹组蛋白形成名为核小体的结构。在正常细胞内，KDM4B酶的催化会让核小体内组蛋白3（H3）的赖氨酸9（K9）氨基酸残基去除甲基。这一H3K9去甲基化活动需要小分子α-酮戊二酸（α-KG）的参与。如果发生DNA双链断裂，H3K9就会在损伤部位甲基化，这一局部甲基化信号会招募DNA修复因子，包括蛋白Tip60和ATM。这样就能通过名为同源依赖性修复的过程让损伤复原。b，某些突变会导致部分癌细胞积聚一类被称为致癌代谢物的小分子，这种代谢物会促进肿瘤生长。Sulkowski等人[1]揭示了这种现象背后的一种机制。致癌代谢物会与α-KG竞争，争取与KDM4B结合，从而抑制这种酶的作用。这会导致整个基因组发生H3K9甲基化。整体高度甲基化会掩盖DNA损伤后的H3K9甲基化局部增加，阻碍DNA修复因子的招募。未修复的DNA损伤会导致基因组不稳定性，从而促进肿瘤生长。
之前有临床研究指出了致癌代谢物和DNA修复缺陷之间的联系，研究发现携带IDH1或IDH2基因突变的胶质瘤患者对于化疗和放疗联合疗法反应良好，这两种疗法都会诱导DNA损伤[9]。该结果表明，含有高水平致癌代谢物的肿瘤易受到能引起DNA损伤的治疗的影响。此外，一项针对不同癌症的基因组分析将IDH1列为与DNA修复相关的第五个最经常突变的人类基因[10]。
之前有人提出过两种机制，来解释IDH1或IDH2突变时发生的2-HG积聚是如何导致DNA修复缺陷的。一种观点认为2-HG直接抑制了ALKBH2和ALKBH3酶，这两种酶能修复甲基化诱导的单链DNA损伤[11]。另一种观点认为2-HG抑制H3K9去甲基化酶，因此会导致ATM表达减少，而ATM是DNA修复必不可少的一种关键蛋白[12]。
Sulkowski等人之前发现，致癌代谢物会抑制HDR途径，并确定了KDM4A和KDM4B对于DSB修复的重要性[11]。为此，作者尝试寻找这些过程之间的可能联系。HDR是一个复杂的事件，需要连续向DSB位点招募多个修复因子，Tip60是当中最先抵达受损区域的蛋白质[8]。Sulkowski等人利用的一个系统让体外培养的人类细胞在工程改造后可以精准启动DSB，还能监控整个修复过程。
作者发现，在没有高水平致癌代谢物的对照组细胞中，在DSB被诱导发生后的30分钟内，DSB附近染色质内会局部出现 H3K9me3修饰的迅速增加。在这之后，HDR所需因子会被有条不紊地招募过来。不过，在致癌代谢物水平较高的癌细胞内，整个基因组的H3K9me3水平在DSB被诱导前都会提高，之后HDR所需因子的招募相比对照组细胞出现了显著受损。删除突变的IDH1基因或用IDH1突变蛋白的抑制药物阻断2-HG的产生，就能预防修复因子招募出现这些缺陷。这些结果确立了致癌代谢物的出现和DSB修复受损之间的因果关系。
致癌代谢物对KDM4B的抑制是如何损坏HDR的？H3K9局部甲基化激活了Tip60，这又会激活ATM——HDR所需的一种关键酶。一系列实验的结果支持作者的模型，即DSB位点的H3K9me3修饰突然增加是要招募修复因子的一个关键信号。相比没有进行处理的细胞，阻断了致癌代谢物积聚、增加α KG或通过改造让细胞表达KDM4A或KDM4B（但不表达其他KDM或ALKBH2或ALKBH3），会导致全基因组的H3K9me3修饰减少，而且既能恢复修复因子的招募，又能在改造的DNA损伤位点进行DSB修复。如果产生致癌代谢物的细胞经过改造后携带突变版本的组蛋白，隔离H3K9甲基化转移酶，那么就会降低全基因组的H3K9me3修饰水平，从而让细胞在DSB形成后出现H3K9me3激增，进而促进Tip60的招募和DNA损伤的修复。
Sulkowski等人的研究结果增加了对已知的致癌代谢物作用的认识，同时也提出了几个有意思的问题。比如，DSB位点的H3K9me3快速升高如何引起修复蛋白的协同招募，哪个或哪些因子可以识别DSB位点的这类修饰？H3K9的高度甲基化已知能招募促使异染色质（heterochromatin）形成的抑制因子，那么在DSB位点周围，H3K9的高度甲基化能阻止HDR所需因子的结合吗？KDM4A和KDM4B在HDR中的作用是否存在区别也是有待解答的问题。这两种酶催化的H3K9去甲基化类型相同，增强它们的表达可以克服致癌代谢物的抑制作用，防止HDR缺陷。但作者报告称，只消耗KDM4B会损害HDR。
PARP酶能促进DNA单链断裂的修复，能够阻断PARP的抑制剂可用来治疗特定癌症。产生2-HG的肿瘤细胞在接受PARP抑制剂治疗时尤其容易死亡[11]。由于我们现在对于靶向DNA修复过程如何影响这类癌细胞有了更清晰的认识，Sulkowski等人的研究结果或能带来新的治疗策略，探索与致癌代谢物积聚相关的治疗机会。
参考文献：
1. Sulkowski, P. L. et al. Nature 582, 586–591 (2020).
2. King, A., Selak, M. A. & Gottlieb, E. Oncogene 25, 4675–4682 (2006).
3. Ye, D., Guan, K.-L. & Xiong, Y. Trends Cancer 4, 151–165 (2018).
4. Rose, N. R., McDonough, M. A., King, O. N. F., Kawamura, A. & Schofield, C. J. Chem. Soc. Rev. 40, 4364–4397 (2011).
5. Chowdhury, R. et al. EMBO Rep. 12, 463–469 (2011).
6. Xu, W. et al. Cancer Cell 19, 17–30 (2011).
7. Xiao, M. et al. Genes Dev. 26, 1326–1338 (2012).
8. Sun, Y. et al. Nature Cell Biol. 11, 1376–1382 (2009).
9. Cairncross, J. G. et al. J. Clin. Oncol. 32, 783–790 (2014).
10. Knijnenburg, T. A. et al. Cell Rep. 23, 239–254.e6 (2018).
11. Sulkowski, P. L. et al. Sci. Transl. Med. 9, eaal2463 (2017).
12. Inoue, S. et al. Cancer Cell 30, 337–348 (2016).
原文以Tumour metabolites hinder DNA repair为标题发表在2020年7月3日的《自然》新闻与观点版块
© nature
doi: 10.1038/d41586-020-01569-1
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